摘要：为解决深部地下开采巷道围岩变形大、难支护的问题，本文以某钒钛磁铁矿深部沿脉运输巷道为研究对象，通过松动圈测试和现场调查，分析了深部巷道失稳机理，根据耦合支护技术原理，提出了“注浆锚杆（索）+钢筋网+喷射混凝土”加固支护技术，现场工业试验结果表明，采用该技术后巷道顶底板变形量为101mm，两帮收敛量60mm，围岩变形量较小，且监测结果与数值计算结果吻合，有效控制了深部地下开采巷道围岩的稳定性。

　　关键词：深巷道；变形大；失稳机理；耦合支护；围岩控制

　　随着经济的快速发展，全球对矿产资源的需求与日俱增。经过多年开采，浅层矿产资源已逐渐枯竭，深部采矿成为未来发展的必然趋势。由于开采深度的增加，岩石力学和工程问题发生了根本性的变化。部分地段节理裂隙发育，开采地压增大，矿石和岩石的稳定性发生了很大变化，岩体变形越来越严重，特别是在高原位应力条件下进行开挖掘进，巷道破坏严重，这大大增加了深部巷道的安全风险。与浅层巷道相比，深层巷道的地应力不断增大，在高应力作用下，巷道变形破坏越来越严重。除高应力效应外，深部巷道周边岩石应力场在地质构造和采掘应力作用下会进一步重新分布，导致应力集中。由于深部巷道地质条件复杂，深部巷道围岩变形控制的技术和方法仍有待探索。在深部巷道围岩条件和力学性能的基础上，必须采用合理的支护设计方法和控制技术，因此才能保证围岩的稳定性，深部巷道的不稳定性一直是采矿和岩石工程领域关注的焦点。

　　本文以某钒钛磁铁矿深部巷道为研究对象，通过超声波测试了巷道围岩松动圈范围，根据测试结果，提出了“注浆锚杆（索）+钢筋网+喷射混凝土”耦合支护方案，现场试验结果表明，“注浆锚杆（索）+钢筋网+喷射混凝土”耦合支护技术可有效控制深部开采巷道围岩的变形破坏。

　　1工程概况

　　1.1地质概况

　　某钒钛磁铁矿矿体赋存于辉长岩体中、下部，呈层状、似层状、条带状产出，产状与岩层产状一致。围岩体没有沉积岩地层，与边缘三叠纪及震旦纪大理岩为界。围岩为华力西期辉长岩，辉长岩原生层状构造十分发育。辉长岩形成过程中，由于岩浆具有良好的分异作用，其自形板状斜长石呈面状定向排列或浅色或暗色矿物相对集中形成细微条带组成火成页理，使岩体具有明显的层状及条带构造，使得岩体似层状层间节理尤为发育，普遍较破碎。

　　矿区巷道围岩断层很发育，主要有南北向、北东向、北西向三组。北东向断层，为F101、F318，走向北东至南西，前者倾向北西，后者倾向南东，均为倾角较陡的逆断层；南北向断层，为F01、F105、F106、F110等，走向南北或近于南北，大部分倾向西，个别倾向东，向西倾向断层倾角较缓，倾角一般40°~50°,向东倾的断层倾角较陡，近于直立。断层规模较大，长度分别为470m～1290m，破碎带宽分别为1m～10m。断层切割岩层及矿体，使岩层和矿体错动，断层面具有挤压现象，蚀变严重。北西向断层，该组断层走向北西，倾向南西，倾角陡，部分近于直立，主要断层有F111、F122、F123等，分别长450m～1100m，断层破碎带宽1m～10m，断层带具有明显压碎结构，岩石具有较强蚀变，构造迹象明显。

　　1.2原支护方案

　　沿脉运输巷道呈直墙半圆拱形，断面尺寸4800mm×4000mm（宽×高），直墙高2300mm，巷道埋深约350m，巷道长达1000m。位于砂质泥岩中，内部裂缝发育，围岩破碎、完整性差。

　　原支护方案采用“锚杆+金属网片+喷射混凝土”支护技术，巷道采用Φ22×2400mm高强度螺纹钢锚杆，拱顶锚杆间排距为1000mm×1000mm，帮部锚杆间排距为1200mm×1000mm，锚杆托盘为150mm×150mm×8mm高强度可调中心支撑板和匹配螺母。锚杆锚固剂采用一个MSK2335mm和一个MSZ2360mm进行锚固，锚杆的预紧力为40kN。

　　巷道围岩表面采用网格尺寸为100mm×100mm、Φ6mm的菱形金属网。巷道全断面喷射C25混凝土，厚度为100mm。

　　1.3变形破坏特征

　　（1）开采深度增加了巷道两帮和顶板围岩的破坏，围岩变形破坏的根本原因是巷道处于高应力状态。开采深度越深，围岩应力越大，巷道围岩达到极限应力条件时会变形破坏。在切向应力作用下，巷道顶部和两帮的围岩处于峰后状态，导致巷道表面围岩破碎。巷道支护时成本较高、效率低，支护难度也较大。

　　（2）当巷道围岩受到工作面的动压力时，发生严重的不连续变形和破坏。顶板及两帮围岩破碎，强度较低，围岩变形严重。巷道现有支护中的锚杆和锚索发生断裂，部分锚杆发生脱落。

　　（3）通过现场监测发现，巷道采用原支护方案，围岩整体变形较大，两帮最大收敛量为400mm～470mm，底板隆起可达370mm～450mm。

　　2巷道围岩失稳机理

　　2.1松动圈测试

　　采用CT-2型超声波围岩裂隙探测仪测试巷道围岩的松动圈范围。钻孔1#～5#分别位于巷道左帮、拱顶左45°位置、拱顶中点、拱顶右45°位置和右帮。钻孔1#～5#对应的松动圈范围分别为2.6m、3.1m、1.7m、2.6m和2.8m，巷道拱顶左45°位置和右帮处松动圈范围最大，本次试验得到的松散圈的实际范围约为3.0m。

　　2.2变形破坏影响因素

　　（1）围岩强度低。巷道围岩主要由华力西期辉长岩组成，辉长岩原生层状构造十分发育，自承载能力较低。

　　（2）围岩地应力。深部巷道中，地应力主要是结构应力和竖向应力，地应力随开采深度的增加而逐渐增大，同时，受断裂带构造的影响，巷道围岩受到的结构应力明显增加，对巷道的稳定性造成很大影响。通过现场勘察发现，巷道发生拱顶兜网、底板隆起、片帮和锚杆扭曲变形现象，深部巷道围岩变形破坏程度远大于相同支护强度和围岩水平的浅部巷道。

　　（3）支护方式不合理。围岩中的能量可以以围岩或支护系统变形的形式释放出来。原支护使用的锚网喷支护，支护强度不足，并且在强度和刚度方面不能与围岩耦合。

　　（4）原有支护材料之间协同效应差，支护强度不足。金属网刚度低，预应力扩散效果差，无法与锚索配合，起不到主动加固约束的作用。锚索与锚杆之间的协调性较差，无法对围岩进行持续的加固控制。现场调查显示，锚索的预应力一般在70kN左右，相对较低。因此，在较大范围内对岩体的加固作用相当有限。在这种情况下，锚杆索支护系统逐渐被破坏，这也会导致围岩产生较大变形破坏。

　　3巷道加固支护方案

　　3.1围岩耦合技术原理

　　注浆可改善破碎煤岩体内部的裂缝结构，增加其内摩擦角和内聚力，增强巷道围岩的完整性和强度。根据巷道的变形破坏情况的影响因素，并遵循“逢锚必注、锚注一体”支护准则。确定采用“注浆锚杆（索）+钢筋网+喷射混凝土”耦合支护方案。其机理如下，采用注浆锚杆可对巷道浅部破碎围岩进行加固，形成“内承载结构”，同时自式中空注浆锚杆适合在破碎岩层中钻进，提高施工效率；注浆锚索将较远处的拱顶岩层加固成承载力较强的外围承重拱，即“外承载结构”；“外承载结构”不仅能保持自身的稳定，而且还是下部锚杆支护的平衡拱稳定的基础；锚索通过一定的间距，使沿形外拱相互重叠，将岩体保持在“外承载结构”范围内，提高了巷道围岩的整体稳定性。表面喷射混凝土可以隔离浅部破碎围岩。

　　通过注浆锚杆索支护，在巷道围岩形成了浅部和深部完整的锚固加固区域。以锚索为主的深浅部注浆耦合作用，使巷道围岩出现互为支撑的“锚注加固体等效层”，改善了巷道围岩的承载能力。

　　3.2加固支护方案

　　3.2.1锚杆支护

　　拱顶锚杆。拱顶锚杆采用Φ25mm×3000mm自钻式中空注浆锚杆，锚杆间排距为1200mm×1000mm，拱顶处锚杆每排布设6根，锚杆与巷道拱顶垂直打设。

　　帮部锚杆。帮部锚杆的规格与顶部锚杆的规格相同，锚杆间排距为1200mm×1000mm，帮部每排布设2根，锚杆与巷道帮部垂直打设。

　　底板锚杆。底板锚杆的规格与顶部锚杆的规格相同，锚杆间排距为1500mm×1000mm，每排布设3根，锚杆与巷道底板垂直打设。

　　3.2.2锚索支护

　　拱顶锚索。巷道拱顶采用Φ22mm×6800mm注浆锚索，锚索间排距为1200mm×2000mm，每排有5根锚索，锚索与巷道拱顶垂直打设。

　　帮部锚索。帮部锚杆的规格与拱顶锚索的规格相同，锚索布设在两根锚杆之间，锚索排距为2000mm，每排有1根锚索，锚索与巷道帮部垂直打设。同时在巷道的拱脚各打设一根Φ22mm×6800mm注浆锚索，锚索与水平方向的夹角为45°。

　　钢筋网和喷射混凝土设计与原支护方案相同。
　　3.3数值模型

　　基于现场工程地质情况，考虑到巷道开挖后应力的影响范围约为巷道宽度的3倍～5倍。根据井下实际生产情况，所建数值计算模型尺寸为30m×10m×40m（长×宽×高）。为了减少网格划分引起的计算误差，网格的长宽比不大于5m。对于巷道周边研究区域，网格进行致密化。远离巷道区域的单元尺寸采用1m，靠近巷道区域和巷道开挖区的单元尺寸采用0.5m。

　　模型采用理想弹塑性岩体。在数值计算中，金属网采用适当增加力学参数的素混凝土模拟，金属网采用壳单元模拟，锚杆采用桩单元模拟。模型底部设置为垂直位移约束，模型四周设置为水平位移约束。

　　与原支护方案相比，采用加固支护技术方案后，巷道围岩的收敛变形明显减小。巷道拱顶下沉量由653.0 mm减小到72.5mm，底板隆起量由223.4mm减小到45.3mm，由此可见，耦合支护技术方案对深部开采巷道围岩稳定性具有良好的控制作用。

　　4现场工业试验

　　沿脉运输巷道掘进施工后，采用“注浆锚杆（索）+钢筋网+喷射混凝土”加固支护技术，从巷道掘进施工开始，采用JSS30A数显收敛计对巷道围岩变形进行现场监测，以评价加固支护方案的效果。

　　巷道开挖后，先后经历了严重变形的初始阶段（0d～20d）、缓慢变形的中期（20d～50d）和稳定变形的后期（50d～120d），巷道顶底板变形量为101mm，两帮收敛量60mm，围岩变形量较小，变形控制在允许范围内，且与数值模拟结果基本吻合，这表明“注浆锚杆（索）+钢筋网+喷射混凝土”加固支护技术可有效控制深部巷道围岩的变形破坏。

　　5结论

　　通过对某钒钛磁铁矿深部沿脉运输巷道变形破坏机理的研究分析，得出了巷道变形破坏的原因，有针对性地提出了加固支护方案，并得出以下结论。

　　（1）通过对沿脉运输巷道围岩的超声波检测及现场勘察，分析得出巷道浅层围岩破碎，围岩强度较低，且受深部断层构造的影响，地应力较大，围岩变形破坏严重，原支护方案不能有效控制围岩的变形破坏。

　　（2）根据巷道的变形破坏情况的影响因素，确定了“注浆锚杆（索）+钢筋网+喷射混凝土”加固支护方案，并通过数值模拟验证了该技术方案的可行性。

　　（3）现场工业试验表明，“注浆锚杆（索）+钢筋网+喷射混凝土”加固支护能有效控制破碎岩体变形，充分发挥围岩的自稳性，支护效果显著。